基于聚醚醚酮的新型高介电常数偶极玻璃高分子的设计合成与性能

Film capacitor have important scientific value and application prospects in energy storage, new energy vehicles and nuclear fusion due to its unique electrical properties. How to construct a versatile and efficient synthetic method to prepare new polymer dielectrics with heat resistance, high dielectric constant and low loss, is a research focus of film capacitor research fields. In this project, a series of new type polymer dielectrics based on the skeleton of poly(ether ether ketone) and design principle of dipolar glass polymer will be synthesized via different methods. Dihydric phenol with non-coplanar structure will be used as the constitutional unit of poly(ether ether ketone) to provide larger free volume for the rotation of side-chain dipoles. The effects of dipole type, dipole density, synergistic effect of different dipoles and conformational factor of dipoles on dielectric constant and secondary relaxation process will be carefully studied. Besides, the influence of microstructure of polymer on the motion ability of dipoles and coupling effect will be clarified. The structure-activity relationship between the microstructure and dielectric properties of poly(ether ether ketone) containing dipoles in side chains will be revealed. This project will enrich the theory of polymer dielectrics and promote the development of film capacitors.

有机薄膜电容器由于其独特的电学性质，在储能、新能源汽车和核聚变等领域都具有重要的科学价值和应用前景。建立简单高效的合成策略，制备耐高温、高介电常数和低介电损耗的新型高分子介质材料是目前研究的一个热点。结合申请人前期的研究基础，本项目提出以聚醚醚酮刚柔兼备的主链结构为骨架，引入偶极玻璃高分子的设计原理，采用具有扭曲非共平面的二元酚作为聚醚醚酮的结构单元为侧链偶极子的转动提供更大的自由体积，来制备具有高介电常数和低介电损耗的基于聚醚醚酮的新型偶极玻璃高分子；深入研究偶极子类型、密度、复配效应及偶极子构象因素对介电常数和次级松弛过程的影响机制，从而阐明高分子的微观结构对偶极子运动能力及耦合作用的影响规律，揭示侧链含偶极子聚醚醚酮的微观结构与其介电性能之间的构效关系，丰富高分子电介质理论，推动薄膜电容器领域的发展。

未来电子设备将朝着微型化和低功耗方向发展，对高能量密度、低损耗和耐高温电介质电容器的需求日益增加。但是传统有机薄膜介质材料的能量密度较小，不能耐高温。鉴于此，本项目以具有优异耐热性和力学性能的聚芳醚为主链，通过分子设计手段使聚芳醚侧链携带甲砜基，构建主链和侧链结构可控且具有高介电常数、低介电损耗和耐高温的聚芳醚体系。系统研究了新型偶极玻璃介电高分子的次级弛豫过程与其微观化学结构之间的内在联系。具体的研究内容包括：. 以酚酞啉为二元酚单体，制备了聚醚醚酮、聚芳醚腈和聚芳醚砜型等三种酚酞啉型芳醚，进一步通过高分子后功能化制备了侧链分别含羧基、甲砜基和氰基的酚酞啉型聚芳醚（PAEs），这是一大类新型的偶极玻璃高分子材料。在系统研究这类高分子结构的基础上，详细研究了PAEs-COOH，PAEs-SO2，PAEs-CN的介电性能。研究发现这类介电高分子的介电常数为3.8-5.6，击穿电压为400-650 MV/m。其中PEEK作为高分子骨架更适合低损耗和耐高温型介电高分子的设计，PEEK-SO2的介电常数达到4.5，是BOPP的2倍左右，并保持了较低的介电损耗，室温时为0.006左右。除此以外，PEEK-SO2的玻璃化转变温度达到158 ℃，拉伸强度超过50 MPa。与双酚酸型高介电PEEK相比，酚酞啉型PEEK-SO2的耐热性和低损耗性能都有大幅提高，实际应用价值更高。可见具有螺旋桨式结构的酚酞啉单元既可以提高材料的玻璃化转变温度，还能保证高分子具有较好的耐热性。偶极玻璃高分子材料显示出了优异的介电性能。. 在该项目的资助下，共发表SCI论文4篇，其中一篇发表在高分子领域TOP期刊 Progress in Polymer Science上（IF=31.281），一篇发表在Advanced Electronic Materials上（IF=7.633），申请发明专利2项，参加国内会议两次，毕业1名硕士研究生。